磁鐵玩具玩遍了 這個大家伙也許你沒見過

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說到磁鐵,大家也許會想到我們小時候玩過的馬蹄形磁鐵。我們可以用這種磁鐵做各種游戲,比如隔空移物。現在的小朋友,簡直不要太幸福,磁力片、磁力火車、磁力釣魚玩具,種類非常豐富。還有辦公和教學用的白板磁釘,從旅游景點帶回的冰箱貼……
這些小磁鐵看起來不起眼,可幾乎每個人的生活里都會用到。它們都有一個共同的特點,是永磁鐵
客運出口報關https://www.xinseopr.com/170864-21/20210123143622/image_0.jpg宏宸貨運有限公司

   圖:馬蹄形磁鐵 圖片來源 | 未來素材

今天,我們要向大家介紹的是磁鐵家族裡的大家伙,它們一般都重達好幾噸以上,幾百噸的也不少見。作為加速器的重要元件之一,它們中不僅有永磁鐵,還有各種各樣的電磁鐵。它們常年在實驗室里低調地工作,與大家見面的機會並不多。下麵我們就一起來認識一下這些重量級的大家伙們吧!

衛星定位器https://www.xinseopr.com/170864-21/20210123143622/image_1.jpg
科學家通過“拆裝”探索微觀世界


作為好奇的“熊孩子”,我們總是想把陌生的東西拆開看看。收音機、鬧鐘、隨身聽這些小物件,在我們童年拆東西的“黑歷史”中無一幸免。

科學家就像好奇的小朋友,也在通過不斷地“拆裝”滿足好奇心,進而加深對整個世界的認識。只不過他們拆的是更“小”的東西,比如微觀粒子!都說“工欲善其事,必先利其器”,加速器就是幫助科學家打開微觀世界之門,探索原子核乃至更微觀粒子奧秘的工具
歐洲核子研究中心的大型強子對撞機LHC(Large Hadron Collider),其周長為27km,曾經成功幫助科學家找到了傳說中的上帝粒子——Higgs粒子,是目前世界上最大的加速器裝置。而在中國,當前也有好幾臺大型加速器正在運行,比如北京正負電子對撞機、合肥同步輻射光源、上海光源以及蘭州重離子加速器。
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    圖 大型強子對撞機示意圖 圖片來源 | CERN


https://www.xinseopr.com/170864-21/20210123143622/image_3.jpg圖 蘭州重離子加速器裝置模型 圖片來源 | 近代物理所

加速器是一個非常複雜的系統,是由很多複雜的元件組成的。看看上面那張圖,那些從頭至尾整齊排列的黃黃藍藍的東西是什麼?
它們就是加速器的“軀幹”——磁鐵
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磁鐵,束流的嚮導


加速器中的帶電粒子,需要按照一定的軌道運動並儲存能量(加速),同時也需要沿着某個軌跡去打靶。帶電粒子(各種粒子束,也叫束流)沒有眼睛,也沒有耳朵,是無法感知周圍環境的,需要磁鐵作為導游來引導它們。因此,磁鐵在加速器中相當重要!
那麼,究竟什麼樣的磁鐵,才能當此重任呢?
上世紀30年代,歐內斯特·勞倫斯(Ernest Orlando Lawrence)在美國建成了世界上第一臺迴旋加速器。迴旋加速器的磁鐵就是在圓柱形極頭上纏繞線圈,使之產生垂直磁場,使粒子在進入磁場區域中後能夠按照科學家的意願行進。

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圖 1931年勞倫斯和學生利文斯頓研製的一種微型迴旋加速器(直徑約10cm),這是世界上最小的加速器 圖片來源 | LBNL


https://www.xinseopr.com/170864-21/20210123143622/image_6.jpg圖 勞倫斯(右)和他的學生利文斯頓站在由他們設計的迴旋加速器旁 圖片來源 | LBNL

1950年,希腊工程師Christofilos寫出了一份未發表的名為“磁共振加速器中離子和電子的聚焦系統”的報告,闡述了強聚焦原理。兩年後,美國布魯克海文實驗室的E. D. Courant和H.S.Snyder等人提出交變梯度同步加速器原理。這使得加速器物理及技術有了革命性的發展,誕生了能夠累積更高能量的環形加速器。同時,磁鐵的模樣也發生了很大的變化。
目前,環形加速器所使用的磁鐵主要有電磁和永磁兩種形式,其中電磁鐵中又有常溫和超導兩種。



常溫磁鐵




顧名思義,常溫磁鐵就是在常溫下運行的磁鐵。它是通過諸如銅鋁等一些金屬繞制的線圈加載電流來產生磁場的。這種磁鐵被廣泛地應用在各大加速器實驗室中。
常溫磁鐵在通電後,通過不同形狀的極面來產生不同形式的磁場,比如二極磁鐵的極面是一個平面,四極磁鐵的極面是一組完全對稱的雙曲面,六極磁鐵的極面更複雜。

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圖 常溫二極鐵及其截面形狀 圖片來源 | 近代物理所;A. Wolski,2009


https://www.xinseopr.com/170864-21/20210123143622/image_8.jpg圖 常溫四極鐵及其截面形狀 圖片來源 | 近代物理所;A. Wolski,2009



https://www.xinseopr.com/170864-21/20210123143622/image_9.jpg圖 常溫六極鐵及其截面形狀 圖片來源 | J Tanabe,2005;A. Wolski,2009




超導磁鐵




隨着超導技術的發展,人們不禁要問超導是否能對加速器磁鐵有所貢獻?答案是,當然可以!


超導磁鐵是利用超導材料製成的線材(鈮鈦、鈮三錫、釔鋇銅氧等)通電勵磁,產生加速粒子所需的約束磁場的磁鐵。
由於超導線在合適的低溫環境下能夠沒有損耗地傳輸大電流(和普通手機充電線粗細一般的超導線,能夠傳輸好幾千安培的電流,是普通導線載流能力的上千倍),因此超導磁體能夠產生很高的磁場,一般被用在高磁場需求中,目前也將逐步應用到各類加速器裝置中。
https://www.xinseopr.com/170864-21/20210123143622/image_10.jpg       圖 HL-LHC使用的超導二極鐵 圖片來源 | CERN
通常在加速器中,在粒子種類和加速能量確定的情況下,磁場越大,曲率半徑就會越小。因此在同等磁偏轉性能要求時,使用超導磁鐵就可以大大減小環形加速器的周長。而傳輸同樣大小的電流,超導線材便宜很多,因此超導磁體主要依靠超導線圈產生大部分磁場,常用到以下形式的線圈截面來產生各種類型的強磁場。

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圖 超導二極鐵 圖片來源 | R. Beth,1968



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      圖 超導四極鐵 圖片來源 | R. Beth,1968





  永磁鐵  




磁鐵可以是天然產物,也可以由人工製造(如釹鐵硼磁鐵)。它的最大特點便是環保綠色,充磁一次後便可長期使用,也無須電源和水冷系統,可以在特殊環境下運行。
目前研製中的永磁磁體可分為兩大類:一類是混合型或叫線圈代替型,在這類磁體里,利用永磁材料代替普通電磁鐵的勵磁繞組, 提供所需要的磁勢。另一種是完全採用永磁材料製成,沿方位角按一定規律調變永磁材料的磁化方向或永磁材料的厚度比,以形成所需要的多極磁場。

https://www.xinseopr.com/170864-21/20210123143622/image_13.jpg圖 8體永磁二極磁鐵示意圖和4T永磁鐵 圖片來源 | 作者提供;M. Kumada,2001

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加速器中的磁鐵是如何工作的?


簡單的說,磁鐵的工作原理主要就是洛倫茲力的作用。 
加速器磁鐵家族龐大,類型豐富,按功能分類,有二極鐵、四極鐵、六極鐵,切割磁鐵、bump鐵、校正鐵、掃描鐵、波盪器等。我們在這裡介紹一下二極磁鐵和四極磁鐵的基本原理。

二極磁鐵通過產生的磁場對帶電粒子產生作用(見公式):

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B就是二極磁鐵的磁場強度,左邊表示洛倫茲力,右邊表示向心力。


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圖 二極鐵原理示意 圖片來源 | 作者提供

 
如上圖所示,向紙面穿入的粒子將會受到偏轉力的作用,從而改變運動方向。有了這個力作為向心力,粒子束就可以轉圈圈啦!
有了正確的方向,還要考慮束流的質量。用粒子束打靶也像我們射擊打靶一樣,希望每一槍都在靶心的範圍內,但是由於粒子束在運動過程中會因為各種作用變得“散開”,因此我們就得想辦法讓它們聚在一起,這時候咱們就需要四極磁鐵了。

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圖 用粒子束打靶也像我們射擊打靶一樣 圖片來源 | veer


我們可以把粒子束類比成光線(束流光學),光線通過凸透鏡的會聚作用可以聚焦於一點。而四極磁鐵通過洛倫茲力將束流在水平或豎直方向進行會聚,從而達到聚焦的目的。但是與透鏡不同的是,四極磁鐵如果在水平方向對束流是會聚作用,那麼在垂直方向就是散開的效果。

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圖 四極鐵原理示意 圖片來源 | 作者提供


上述磁鐵是我們在加速器中最常見的。而在加速器運行中,為實現一些其它功能,我們還會使用六極鐵消除粒子動量偏差帶來的影響,八極鐵消除朗道阻尼;同時,在加速器束流註入引出時還要使用bump鐵kicker鐵,在一些試驗終端例如重離子治癌裝置中還要使用掃描鐵等特殊磁鐵。

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圖 切割磁鐵與bump磁鐵 圖片來源 | 近代物理所  

                  

我們特別介紹一下在粒子束從束線註入到儲存環(具有儲存粒子束能量的環形加速器,例如蘭州重離子加速器冷卻儲存環)的過程中,bump磁鐵和切割磁鐵是如何工作的。
在註入過程中,循環束流(即在儲存環中來迴轉圈的束流)會被bump磁鐵“撞”出一個凸軌,這時預置接應的註入束流會在切割鐵的幫助下與循環束流會師,夫妻雙雙把家還,最終一起被“撞”回軌道。
https://www.xinseopr.com/170864-21/20210123143622/image_20.jpg圖 切割磁鐵和bump鐵在束流註入時的工作過程示意 圖片來源 | 作者製作,素材來自Jack Tanabe,2005
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未來的加速器磁鐵什麼樣?

如果我們能穿越到未來,那麼,我們肯定會看到未來的加速器磁鐵“更高、更快、更強”。


更高指的是場強更高。為了滿足加速粒子更高能量的需求,我們必須努力提高磁場強度。目前高場磁鐵能夠達到20T,對於加速器來說已經是很高的場強了(目前多數加速器的場強大概在1-2T)。

更快指的是磁場提升和降落的速率更快。粒子在加速器中高速轉圈的過程中,能夠快速地將其“踢”到實驗束線上是一件非常難的事情(即引出過程),這需要磁場瞬間上升到一個高度,並且能在“踢”完後瞬間“收腿”,以便不影響後續粒子。另外在環形加速器中,科研人員也需要不斷地提高磁鐵的磁場上升速率以滿足物理需求,這裡不僅需要磁鐵運行穩定,還需要考慮渦流產生的影響。這是一項非常複雜的技術,需要在快速產生和退去磁場的同時,最大程度地減小附加影響。

https://www.xinseopr.com/170864-21/20210123143622/image_22.jpg圖 測試中的快脈衝二極鐵 圖片來源 | 近代物理所

 
更強指的是磁體抵抗電磁力的能力越強。磁鐵在運行過程中產生的磁場力作用到線圈,會使之受到約100-300t/m的應力(相當於100-300輛小型汽車在拉)。如果不能很好地處理這類應力,會導致磁鐵運行時被拉變形,甚至損壞。因此,磁鐵“更強”,才能保證穩定運行。

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圖 線圈受力圖 圖片來源 | 徐慶金,2020

 
磁鐵作為加速器的軀幹,既支撐了加速器龐大的身軀,又引導了加速器的血液(束流)循環,可謂是鞠躬盡瘁!加速器磁鐵系統涉及的內容非常豐富,例如磁場設計、磁鐵結構設計、磁場測量、低溫系統設計以及機械設計等。希望通過我的介紹,能讓大家對磁鐵系統有一個初步的瞭解!
作者王力實  近代物理所磁鐵技術室
感謝姚慶高、吳巍、冒立軍、劉芳老師及磁鐵技術室全體同事為本文成稿提供幫助。

參考文獻:

[1] 唐靖宇. 迴旋加速器和串列靜電加速器課件, 2019

[2] 桂偉燮. 荷電粒子加速器原理 [M], 1993:2

[3] R. Beth, Analytical Design of Superconducting Multipolar Magnets [M], 1968

[4] Iron Dominated Electromagnets Design, Fabrication, Assembly and Measurements [M], 2005:20-32

[5] 徐慶金. 粒子加速器中的高場超導磁體技術,2020:25-27

[6] 徐建銘, 陳仁懷,劉茂三.永磁磁體的發展和它在加速器中的應用[J]. 原子能科學技術,1985:752-755

[7] M. Kumada, T.Fujisawa, Y.Hirao, Development Of 4-Tesla Permanent Magnet, Proceedings of the 2001 Particle Accelerator Conference, Chicago


來源:中科院近代物理研究所

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編輯:aloysius


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